CC BY
68
УДК 625.731:624.138
Брехман А.И. - доктор технических наук, профессор Вдовин Е.А. - кандидат технических наук, доцент Мавлиев Л.Ф. - аспирант E-mail: vdovin@kgasu. ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
МОДИФИКАЦИЯ УКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СЕЛЬСКИХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
АННОТАЦИЯ
Проведены исследования свойств укрепленных цементом суглинистых грунтов, модифицированных стабилизаторами «Nanostab» и «ANT». На основе анализа полученных результатов определены составы модифицированных укрепленных грунтов и разработаны конструкции сельских автомобильных дорог.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: полимерный стабилизатор «Nanostab», ионный стабилизатор «ANT», суглинистые грунты, прочность и морозостойкость укрепленных грунтов, конструкции сельских автомобильных дорог.
Brekhman A.I. - doctor of technical sciences, professor Vdovin E.A. - candidate of technical sciences, associate professor Mavliev L.F. - post-graduate student Kazan State University of Architecture and Engineering
UPDATING OF STAKED PRIMING COATS AT BUILDING OF RURAL HIGHWAYS ABSTRACT
Researches of properties of the loamy priming coats strengthened by cement modified by stabilizers «Nanostab» and «ANT» are conducted. On the basis of the analysis of the received results structures of the modified staked priming coats are defined and designs of rural highways are developed.
KEYWORDS: polymeric stabilizer «Nanostab», ionic stabilizer «ANT», loamy priming coats, durability and frost resistance of staked priming coats, designs of rural highways.
Одной из актуальных задач дорожно-транспортного комплекса Республики Татарстан и Российской Федерации является развитие сети автомобильных дорог, в том числе соединение сельских населенных пунктов с дорогами общего пользования [1].
Реализация Федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы Российской Федерации (2010-2015 гг.)», проекта «Повышение эффективности предоставления социальных услуг в Республике Татарстан», национального проекта «Здоровье», Республиканской целевой программы «Дети Татарстана», национального проекта «Образование», Республиканской целевой программы «Развитие сельского хозяйства Республики Татарстан на 2008-2012 годы» во многом связаны с обеспечением доступности для населения сельской местности среднего и профессионального образования, необходимой медицинской помощи, а также повышением их эффективности [2].
В ряде регионов страны, в том числе в Республике Татарстан, отсутствуют запасы прочных каменных материалов. Себестоимость перевозок по грунтовым дорогам в 1,8-2,2 раза выше, чем по дорогам с твердым покрытием, и в 3-4 раза выше, чем с усовершенствованным. Замена природного щебня при строительстве автомобильных дорог региональной сети укрепленными грунтами - одно из перспективных направлений интенсификации и снижения стоимости дорожного строительства [3].
Сельские автомобильные дороги относятся к классу «дороги обычного типа» (нескоростная дорога), не отнесенные к классам «автомагистраль» и «скоростная дорога».
По технической классификации в соответствии со СНиП 2.05.02-85* это автомобильные дороги:
- IV технической категории (2 полосы движения, ширина полосы 3 м) и V технической категории (1 полоса движения, ширина полосы 4,5 м).
- имеющие единую проезжую часть;
- доступ на которые возможен через пересечения и примыкания в одном и разных уровнях, расположенных для дорог IV технической категории не чаще, чем через 100 м, V технической категории - 50 м друг от друга.
К наиболее распространенным грунтам на территории России и Республики Татарстан относятся глинистые грунты. Основным сдерживающим фактором широкого применения их в дорожном строительстве является резкое снижение физико-механических характеристик при увлажнении. Поэтому использование их в дорожных одеждах возможно только при укреплении вяжущими.
Обобщая многолетний отечественный и зарубежный практический опыт применения укрепленных грунтов, можно сделать вывод о том, что грунты, укрепленные одним вяжущим, характеризуются большим набором отрицательных свойств, значительно снижающих срок службы конструктивного слоя [4]:
- в случае укрепления грунтов органическими вяжущими образуемый материал обладает повышенной деформативностью, что ведет к колееобразованию и другим пластическим деформациям в слое при эксплуатации дороги.
- при укреплении грунта минеральным вяжущим получаемый материал, как правило, обладает высокой прочностью, технической жесткостью, что вызывает появление трещин температурно-усадочного характера в осенне-зимний период. К тому же для некоторых разновидностей грунтов (например, мелких песков), укрепленных цементом, очень сложно обеспечить требуемую морозостойкость;
- при укреплении грунтов синтетическими смолами образуемый материал обладает недостаточной водо- и морозостойкостью, чрезмерной хрупкостью.
Направленное изменение свойств местных грунтов возможно модифицированием их поверхностно-активными веществами специального действия - различными стабилизаторами и добавками. В производстве строительных материалов под модифицированием понимают видоизменение физико-химической структуры и свойств материала путем введения в его состав различных элементов или добавления к нему определенных веществ. При этом добавляемое вещество называют модификатором, введение которого в малых количествах в состав материала вызывает изменение структуры и свойств последнего [5].
Выпускаемые в настоящее время модификаторы не в полной мере отвечают целям дорожного строительства: многие из них токсичны и не соответствуют заявленным свойствам, большая их часть выпускается за рубежом и имеет достаточно высокую стоимость.
По данным С.Г. Фурсова, все стабилизаторы по составу и природе взаимодействия с грунтами объединены в два класса [4]:
1) ионные закрепители глинистых грунтов («Perma-Zyme», «LBS» - США, «ANT» - Россия, «Дорзин» - Украина, «Roadbond» - ЮАР, «Consolid» - Швейцария, «RRP-235-Special», «Kinpro-nano» - Германия, «Статус» - Россия и др.), которые позволяют ликвидировать способность глинистых грунтов взаимодействовать с водой за счет нейтрализации сил поверхностного притяжения воды. Гидрофобная пленка из поверхностно-активных веществ не допускает молекулы воды в зоне контактов минеральных частиц грунта и тем самым предохраняет грунт от размокания. Изменения на уровне микроструктуры приводят не только к стабильному сохранению физико-механических свойств природного глинистого грунта, но и к их улучшению (повышается прочность, снижается набухание и т.д.).
Данные модификаторы нельзя рассматривать как минеральные или органические вяжущие вещества, создающие прочные кристаллизационные и коагуляционные связи в укрепленном грунте. Рекомендуется применять их совместно с минеральным вяжущим веществом: цементом, известью, золой уноса и др. В этом случае модификатор способствует повышению физико-механических характеристик грунта, а также снижению расхода минерального вяжущего [4].
2) полимерные эмульсии («М10+50» - США, «Nanostab» - Германия), эффект модифицирования которых обусловлен распадом эмульсии (испарением воды) и отверждением полимера. Время распада эмульсии и отверждения полимера зависит от температуры и влажности воздуха, а также от содержания тонкодисперсных частиц грунта, активно отбирающих воду из эмульсии.
Целью работы явилось исследование свойств укрепленных грунтов, модифицированных современными стабилизаторами, и разработка на их основе конструкций сельских автомобильных дорог.
Для исследования влияния на свойства укрепленных грунтов использованы модификаторы двух вышеописанных классов, имеющих опыт стабилизации грунтов в дорожно-климатических условиях, схожих с Республикой Татарстан:
1) ионный стабилизатор «АКТ», представляющий собой водорастворимую активную органо-
минеральную добавку, содержащую амфотерные поверхностно-активные вещества и
микроэлементы;
2) полимерная эмульсия «Nanostab», представляющая собой водную дисперсию стирол-бутадиен-
полимера SiO2.
В качестве вяжущего использовали широко применяемый в дорожном строительстве портландцемент марки ПЦ 400-Д0-Н ГОСТ10178-85 (Портландцемент ЦЕМ I 32,5 Н ГОСТ 311082003).
Прочность обработанных цементом материалов и укрепленных грунтов в проектном возрасте 28 суток должна соответствовать требованиям ГОСТ 23558-94. По морозостойкости обработанные материалы и укрепленные грунты для II и III ДКЗ, в которых располагается Республика Татарстан, должны иметь марки по морозостойкости F15 и F25 в зависимости от вида конструктивного слоя дорожной одежды.
Для исследования действия стабилизаторов использована проба глинистого грунта, оптимальная влажность которого составила 15 %. Испытанный глинистый грунт относится к пылеватым суглинкам, по числу (интервалу) пластичности и содержанию песчаных частиц - к легким пылеватым суглинкам.
Результаты испытаний образцов пылеватого суглинка, укрепленного портландцементом с добавкой стабилизатора «ANT» и «Nanostab», приведены на рис. 1. Принятые дозировки цемента - 8, 10 и 12 % от массы грунта, дозировки стабилизатора «ANT» - 0,008 %, 0,016 % и 0,025 % от массы грунта, стабилизатора «Nanostab» - 0,5 %, 0,63 % и 0,75 % от массы грунта.
Анализ полученных данных показывает, что с добавлением стабилизатора «ANT» прирост прочности при сжатии не наблюдается, более того, при увеличении дозировок цемента и стабилизатора данный показатель снижается до 10 % (рис. 1). Понижение прочности на сжатие, возможно, происходит в результате большой адсорбции стабилизатора «ANT», как гидрофобизирующего поверхностно-активного вещества, на силикатных составляющих цементного клинкера, снижающего его гидратацию [6]. Однако, введение данного стабилизатора способствует приросту прочности на растяжение при изгибе до 38 %, что свидетельствует об увеличении деформативности полученного материала, а, следовательно, повышению его трещиностойкости (рис. 1).
0 0,008 0,016 0,025 о 0,008 0,016 0,025
Расход AMT, % от массы грунта Расход ANT, % от массы грунта
Рис. 1. Изменение прочности укрепленных грунтов
«ANT» - - «Nanostab» -----
♦ - 8 % ПЦ ■ - 10 % ПЦ ▲ - 12 % ПЦ
Наибольший прирост прочности при сжатии наблюдается у составов с цементом и стабилизатором «Nanostab» (до 39 %). Увеличение прочности наблюдается с увеличением расхода стабилизатора «Nanostab» (рис. 1). С введением данного стабилизатора прочность укрепленного материала повышается с М20 до М40 по ГОСТ 23558-94. Повышение прочности на сжатие при модификации стабилизатором «Nanostab», возможно, объясняется образующимся адсорбционным слоем на поверхности зерен цемента, проницаемым для воды, что положительно влияет на рост прочности укрепленных грунтов [6]. Введение стабилизатора также способствует приросту прочности на растяжение при изгибе до 20 %.
Марка модифицированного укрепленного глинистого грунта по морозостойкости для всех составов получена не менее F 25 по ГОСТ 23558-94.
Строительство сельских автомобильных дорог с применением различных укрепленных грунтов в качестве оснований капитальных и облегченных, а также покрытий переходных типов дорожных одежд, возможно при использовании материала марки М60 с пределом прочности на сжатие 4-6 МПа, пределом прочности на растяжение при изгибе 0,8-1,2 МПа и маркой по морозостойкости не менее F25 в соответствии с ГОСТ 23558-94. Анализ полученных результатов показал, что этим требованиям соответствуют материалы на основе исследованного легкого пылеватого суглинка и 8 % портландцемента М400 совместно с 0,5 % стабилизатора «Nanostab» или 10 % портландцемента М400 совместно с 0,008 % стабилизатора «ANT».
На следующем этапе разработаны конструкции дорожных одежд со слоями из модифицированных укрепленных грунтов для автомобильных дорог V технической категории (рис.2).
Етр=100 МПа
Етр=100 МПа
7 7 V V V V Г Ъ Р Р Р Р ц
шт
¡Е=1£0 МПа|
дп
Е
0
чО I
О
40
Е о
О
О
CXJ
Рис. 2. Конструкции дорожных одежд автомобильных дорог V технической категории: 1 - щебень М400, 2 - песок средней крупности, 3 - модифицированный укрепленный грунт, 4 - двойная поверхностная обработка, 5 - грунт земляного полотна - суглинок легкий
Расчет сконструированных дорожных одежд производился в модуле «1п^гРауешеп1:» системы автоматизированного проектирования «¡п^гСАБ» в соответствии с ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд». Все разработанные конструкции дорожных одежд являлись равнопрочными с требуемым модулем упругости 100 МПа.
Показатели расчетов традиционной и предлагаемых конструкций дорожных одежд с использованием модифицированных укрепленных грунтов для V технической категории представлены в таблице.
Таблица
Показатели расчетов конструкций дорожных одежд автомобильных дорог
V технической категории
Номер конструкции Вяжущее Модификатор Толщина слоя, см Модуль упругости, МПа
Материал Наименование Расход, % от массы грунта Наименование Расход, % от массы грунта
1 Модифицированный ПЦ* 8 «Nanostab» 0,5 20 600
2 укрепленный грунт ПЦ* 10 «ANT» 0,025 20 600
Щебень М800 16 350
3 Песок средней крупности - - - - 20 120
* - портландцемент М400
На основе анализа результатов проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1. Показатели физико-механических свойств модифицированных укрепленных глинистых грунтов с добавками стабилизатора «Nanostab» и «ANT» отвечают требованиям ГОСТ 23558-94. Введение стабилизатора «Nanostab» существенно (до 39 %) повышает прочность на сжатие укрепленных материалов, по сравнению с теми же составами, укрепленными только цементом.
2. С введением стабилизатора «Nanostab» и «ANT» более интенсивно увеличиваются значения прочности на растяжение при изгибе, соответственно до 20 % и 38 %, что свидетельствует об увеличении деформативности полученных материалов, а, следовательно, повышении их трещиностойкости.
3. По морозостойкости укрепленные грунты, модифицированные добавкой стабилизатора «Nanostab» и «ANT», имеют марку по морозостойкости не ниже F25. Полученный модифицированный укрепленный материал пригоден для устройства верхних слоев земляного полотна при его переувлажнении, верхних и нижних слоев основания на дорогах III-IV категорий, а также покрытий со слоем износа на дорогах V категории во II и III дорожно-климатических зонах.
4. Для окончательных выводов о преимуществах полученных модифицированных укрепленных грунтов с применением стабилизатора «Nanostab» и «ANT», необходима опытно-производственная проверка в районах с дефицитом каменных материалов, в том числе в Республике Татарстан.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чабунин А.М. Федеральное дорожное агентство // Информационно-аналитический каталог «Дороги России. Инфраструктура». Изд. 2. - М.: «Реал-Медиа», 2009. - С. 6-7.
2. «Послание Президента Республики Татарстан Р.Н. Минниханова Государственному Совету Республики Татарстан» от 13.10.2010 г. [Электронный ресурс] / Аппарат Президента Республики Татарстан; Современные интернет Технологии. - Электрон. дан. URL: http ://pre sident.tatar. ru/pub/view/11522.
3. Ольховиков В.М. Надежный грунт // Строительная техника и технологии, 2008, № 7. - С. 93-94.
4. Фурсов С.Г. Строительство конструктивных слоев дорожных одежд из грунтов, укрепленных вяжущими материалами // Автомобильные дороги и мосты, 2007, вып. 3. - С. 17-21.
5. Прокопец В. С. Повышение эффективности дорожно-строительных материалов механоактивационным модифицированием исходного сырья // Дис. ...док. техн. наук. -Омск, 2005. - С. 302.
6. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - С. 500.
